Воздушные линии электропередачи

Воздушная линия электропередачи (ВЛ) – устройство, предназначенное для передачи электроэнергии по проводам, находящимся на открытом воздухе и прикреплённым с помощью траверс (кронштейнов), изоляторов и арматуры к опорам или другим сооружениям (мостам, путепроводам и т. д.). В качестве изоляции выступает обычный атмосферный воздух, а необходимая электрическая прочность обеспечивается за счёт допустимых расстояний между фазами. Провода воздушной ЛЭП выполняются сталеалюминиевыми. Сталь находится внутри сечения проводника и предназначена для создания механической прочности. Алюминий находится снаружи и предназначен собственно для пропускания тока с минимальными потерями. Удельное сопротивление алюминия гораздо меньше, чем у стали. При этом пользуются поверхностным эффектом: переменный ток в основном протекает по поверхности проводника. В табл. 5.1 приведены наиболее значимые параметры воздушных ЛЭП.

Таблица 5.1. Основные параметры воздушных ЛЭП

Примечания:

Р_max – наибольшая передавая мощность в расчёте на одну цепь;

l_max – наибольшая длина передачи;

D_ср – среднегеометрическое расстояние между фазами.

По назначению ВЛ бывают:

сверхдальние напряжением 500 кВ и выше (предназначены для связи отдельных энергосистем);

магистральные напряжением 220 и 330 кВ (предназначены для передачи энергии от мощных электростанций, а также для связи энергосистем и объединения электростанций внутри энергосистем);

распределительные напряжением 35, 110 и 150 кВ (предназначены для электроснабжения предприятий и населённых пунктов крупных районов).

ВЛ могут крепиться на деревянные, железобетонные и металлические опоры. ВЛ могут быть одноцепными и двухцепными.

По отношению к другим видам токоведущих частей воздушные линии обладают недостатками, обусловленными тем обстоятельством, что единственной изоляцией между фазами является воздух. Так, например, для ВЛ имеется проблема схлёстывания при большой ветровой нагрузке. Физически соседние фазы могут и не соприкасаться, но расстояние между ними может снизиться настолько, что произойдёт пробой воздушного промежутка. Особенно эта проблема становится актуальной в период гололёда – налипания снега и льда на проводник. В этот период проводник растягивается вниз под действием тяжести ледяной оболочки, а также отклоняется по горизонтали под действием повышенной парусности, т. к. диаметр наледи многократно превышает диаметр проводника. При дальнейшем потеплении ледяной покров проводника срывается, а провод под действием сил упругости резко движется вверх, что также может стать причиной схлёстывания. В районах, подверженных гололёду, используют схемы плавки льда электрическим током.

Другой характерной проблемой для воздушных линий являются удары молнии. Воздушные лини напряжением 110 кВ и выше защищают грозозащитными тросами, проходящими вдоль линии над группой рабочих проводников. Грозозащитные тросы выполняют либо в виде стальных канатов, либо сталеалюминиевых проводов.

Кабельные линии электропередачи

Кабельные линии электропередачи выполняют ту же задачу, что и воздушные ЛЭП, но имеют меньшие габариты в связи с тем, что в качестве изоляции используются материалы с большей диэлектрической прочностью, чем воздух, – масло, бумага, резина, полиэтилен, поливинилхлорид. Кабели незаменимы в том случае, когда имеются повышенные требования к обеспечению электробезопасности – например, когда имеется потенциальная возможность прикосновения к кабелю человека, особенно – при отсутствии профессиональной квалификации последнего. Кроме того, применение кабельной линии вместо воздушной обязательно, когда к объекту электроснабжения предъявляются особые архитектурно-эстетические требования – например, городская застройка. Кабели используются в случаях, если канализация электроэнергии происходит в достаточно стеснённых условиях, внутри зданий, с многочисленными изгибами проводника – например, собственные нужды электростанций.

В отличие от воздушной линии, для кабельных линий характерна проблема обеспечения термической стойкости и невозгораемости. Причины возникновения этой проблемы следующие. Во-первых, изоляция препятствует отводу тепла в окружающую среду. Во-вторых, перечисленные изоляционные материалы являются горючими веществами. В-третьих, кабели прокладываются, как правило, в виде плотных трасс, когда в одном и том же кабельном тоннеле или кабельном канале соседствуют десятки кабелей разного назначения. При возгорании одного кабеля загорятся и соседние. Причиной возможного возгорания является короткое замыкание. Время действия токов КЗ определяется временем срабатывания релейной защиты и временем отключения выключателей и составляет десятые доли секунды. Даже такого малого времени может хватить, чтобы ток КЗ прогрел изоляцию до температуры возгорания 300-400°С.

Другой недостаток кабельных линий состоит в трудностях монтажа. Достаточно сложно делать ответвление от кабельной линии, соединять кабели в единую линию. Для этого применяются специальные муфты.

Комплектные токопроводы

Комплектные токопроводы применяются на генераторном напряжении, в системе собственных нужд, в системах электроснабжения промышленных предприятий. Комплектные токопроводы более легко монтируются, нежели воздушные и кабельные линии. Достаточно легко, с помощью болтовых соединений, происходит изменение трассы токопровода, которая может иметь большое число изгибов. Что касается генераторных токопроводов, то они выполняются в виде единого изделия, предназначенного для конкретного вида генератора и не подлежащего конструктивному изменению. Обычно токопроводы состоят из неизолированной токоведущей части, которая крепится на фарфоровых изоляторах к внутренней поверхности экрана токопровода. Токоведущая часть может иметь различную форму поперечного сечения – прямоугольник, швеллер, труба. Экран защищает токоведущую часть от случайных прикосновений и снижает влияние электромагнитных полей. Существуют токопроводы с пофазным исполнением, когда каждая фаза расположена внутри своего экрана, и с трёхфазным исполнением, когда экран является общим для трёх фаз, разделённых перегородками. В последнее время на электротехнический рынок выходят токопроводы с литой изоляцией.

Основные достоинства токопроводов – снижение вероятности возникновения коротких замыкания за счёт конструктивной жёсткости экранов и закрытости токоведущих частей, уменьшение воздействия токов на соседние элементы конструкций трубопроводов и арматуры. Недостаток комплектных токопроводов заключается в сложности обеспечения электродинамической стойкости при коротких замыканиях. Если воздушные и кабельные линии после исчезновения тока КЗ приходят в своё исходное состояние, то жёсткие токоведущие части токопроводов могут деформироваться необратимо.

Коммутационная и прочая аппаратура электростанций

Выключатели

Выключатель – это коммутационный аппарат, предназначенный для коммутации (отключения и включения) тока в режимах длительной нормальной нагрузки, перегрузки, короткого замыкания, холостого хода, несинхронной работы.

Наиболее тяжелой и ответственной операцией является отключение токов КЗ и включение на существующее короткое замыкание. При коммутации больших токов в пространстве между разомкнутыми, но находящимися на близком расстоянии друг от друга контактами возникает электрическая дуга, обладающая температурой в несколько тысяч градусов. Концентрация большого выделяющегося количества теплоты в малом пространстве делает дугу одним из опаснейших поражающих факторов как для оборудования, так и для обслуживающего персонала. В связи с этим существует проблема своевременного и локального гашения дуги.

При напряжении до 1000 В выключатели называют автоматическими, подчёркивая тот факт, что в данном устройстве коммутационная функция объединена с защитной. Автоматические выключатели имеют встроенные органы, реагирующие на повышение тока, – расцепители.

Для выключателя напряжением выше 1000 В термин «автоматический» не используется, т. к. внутри него нет логических органов. Такой выключатель получает команду на отключение извне – от исполнительных органов релейной защиты и автоматики. Далее пойдёт речь именно о таких выключателях.

Выключатели высокого напряжения (далее по тексту – выключатели) имеют специальную дугогасительную камеру. По принципу гашения дуги и конструктивным особенностям выключатели классифицируются на масляные баковые, маломасляные, воздушные, электромагнитные, вакуумные, элегазовые.

1. Масляные баковые выключатели. Гашение дуги происходит за счёт разложения масла в баке. Водород и углеводороды, образующиеся при нагреве масла дугой, за счёт высокой теплопередачи охлаждают ствол дуги и отводят тепловую энергию в холодные слои масла. Таким образом, масло обеспечивает изоляцию и гашение дуги. Выключатели такого типа сняты с производства, в связи со своими многочисленными и серьёзными недостатками: взрыво- и пожароопасность; неудобство в обслуживании, необходимость периодического контроля состояния и уровня масла; большой объем масла и большие затраты времени на его замену, необходимость больших запасов масла; непригодность для установки внутри помещений; непригодность для выполнения быстродействующего АПВ; большая масса, неудобство перевозки и монтажа. В то же время масляные баковые выключатели имеют следующие преимущества: простота конструкции, высокая отключающая способность (до 50 кА); возможность установки встроенных измерительных трансформаторов тока.

Масляные баковые выключатели до сих пор в достаточно большом количестве эксплуатируются на электростанциях и подстанциях на напряжениях 35-220 кВ.

2. Маломасляные выключатели. Принцип гашения дуги – такой же, как и для масляных баковых. Отличаются от масляных баковых выключателей тем, что масло не обеспечивает изоляцию, а выполняет лишь дугогасительную функцию. Изоляция обеспечивается за счёт других веществ – фарфор, смола, воздух, азот и т. д. Маломасляные выключатели лишены массивного бака и имеют конструкцию колонки, поэтому их называют колонковыми. Маломасляные выключатели имеют те же основные проблемы, что и масляные баковые – взрыво- и пожароопасность. С другой стороны, они приобретают новые положительные свойства: относительно малая масса; более удобный доступ к дугогасительным контактам; возможность создания серии выключателей на разное напряжение с применением унифицированных узлов.

Маломасляные выключатели получили применение в РУ повышенного напряжения 110-220 кВ и в КРУ 6(10) кВ.

3. Воздушные выключатели. Гашение дуги осуществляется за счёт воздушного дутья под высоким давлением – 20-40 атм (нормальное атмосферное давление имеет величину порядка 1 атм).

Достоинства воздушных выключателей: пожаробезопасность; быстродействие; высокая отключающая способность (до 63 кА); малый износ контактов; легкий доступ к дугогасительным камерам. Недостатки воздушных выключателей: необходимость обслуживания компрессорной установки; зависимость функционирования от давления воздуха; сложная конструкция; высокая стоимость.

Воздушные выключатели применяются в РУ повышенного напряжения 110-750 кВ, а также в цепи генераторов на напряжение до 24 кВ.

4. Электромагнитные выключатели. Принцип гашения дуги основан на действии силы Ампера. При этом дуга рассматривается как проводник с током, а магнитное поле создаётся тем же током, который требуется коммутировать. Для этого ток пропускается по специальным катушкам. Под действием силы Ампера дуга затягивается в дугогасительную решётку, где удлиняется, становится тоньше, охлаждается за счёт соприкосновения с металлом и гаснет.

Достоинства электромагнитных выключателей: для гашения дуги не требуется специальной среды, гашение дуги происходит в воздухе при обычном давлении; пожаробезопасность; малый износ дугогасительных контактов; пригодность для частых коммутаций; высокая отключающая способность. Недостатки электромагнитных выключателей: сложность конструкции; ограниченный верхний предел номинального напряжения (не более 20 кВ); ограниченная пригодность для наружных установок.

В связи с перечисленными недостатками электромагнитные выключатели применяется наиболее редко. В основном это ячейки КРУ 6(10) кВ.

5. Вакуумные выключатели. Гашение дуги происходит в сильно разреженной среде под давлением 10^–4...10^–6 Па (для сравнения – нормальное атмосферное давление 10⁵ Па). Если в прочих видах выключателей дуга существует в ионизированной среде (в газе, жидкости), то в вакуумных выключателях дуга горит в парах металла. При переходе синусоиды тока через ноль, или несколько ранее этого момента, происходит конденсация паров металла и дуга гаснет.

Достоинства вакуумных выключателей: простота конструкции; высокая надежность; высокая коммутационная износостойкость; малые размеры; пожаробезопасность; малые эксплуатационные расходы. Недостатки вакуумных выключателей: небольшие номинальные токи и токи отключения; коммутационные перенапряжения; ограничение по напряжению в связи с возникновением рентгеновского излучения.

В связи с последним недостатком вакуумные выключатели практически не применяют на напряжениях 110 кВ и выше, хотя отдельные образцы на таких напряжениях работают. В основном вакуумные выключатели применяются в КРУ на напряжениях 6(10) кВ.

6. Элегазовые выключатели. Элегаз или шестифтористая сера SF₆ обладает лучшими изоляционными и дугогасительными свойствами, чем воздух. Поскольку фтор является крайне электроотрицательным элементом, молекулы элегаза захватывают свободные электроны и деионизируют газ, то есть разрушают дугу. Кроме того, элегаз в определённой зоне температур и давлений лучше отводит тепло, чем воздух. В остальном механизм гашения дуги аналогичен воздушным выключателям, но давление элегаза на порядок ниже – всего 2-3 атмосферы.

Достоинства элегазовых выключателей: пожаробезопасность; быстрота действия; высокая отключающая способность; малый износ дугогасительных контактов. Недостатки элегазовых выключателей: необходимость специальных устройств для наполнения, перекачки и очистки SF₆; зависимость функционирования выключателя от плотности элегаза; сложность измерения плотности элегаза из-за влияния температуры окружающей среды; чрезвычайная токсичность продуктов распада элегаза при гашении дуги; высокая стоимость.

Несмотря на указанные недостатки, элегазовые выключатели являются самыми универсальными. Они используются на всех классах напряжения: от 6 кВ до 750 кВ. На генераторном напряжении, а также на напряжениях 110 кВ и выше они вытесняют воздушные выключатели. На напряжениях 6(10) кВ элегазовое оборудование составляет острую конкуренцию вакуумным выключателям.